JPH11326954A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH11326954A
JPH11326954A JP10152318A JP15231898A JPH11326954A JP H11326954 A JPH11326954 A JP H11326954A JP 10152318 A JP10152318 A JP 10152318A JP 15231898 A JP15231898 A JP 15231898A JP H11326954 A JPH11326954 A JP H11326954A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 画像表示機能と画像取り込み機能を同一基板
上に備えた半導体装置を提供すること。 【解決手段】 本発明の半導体装置は、画素マトリク
ス、イメージセンサ、およびそれらを駆動するための周
辺回路を同一基板上に備えている。かつ本発明の半導体
装置は、イメージセンサの構造・製造プロセスを、画素
マトリクスおよび周辺駆動回路の構造・製造プロセスと
整合性を持たせることにより安価に作製することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】
【0002】本発明は、イメージセンサ機能と、画像の
表示機能とを併せ持つ半導体装置に関する。特に、マト
リクス状に配置された複数の薄膜トランジスタ(TF
T)によって構成されるアクティブマトリクス型半導体
装置に関する。
【0003】
【従来の技術】
【0004】近年、ポリシリコンTFTと呼ばれる多結
晶シリコンを用いたTFT技術が鋭意研究されている。
その成果として、ポリシリコンTFTによって、シフト
レジスタ回路等を有する駆動回路を作製することが可能
になり、画素部と、画素部を駆動する周辺駆動回路とを
同一基板上に集積したアクティブマトリクス型の液晶パ
ネルが実用化に至っている。そのため、液晶パネルが小
型化、軽量化され、パーソナルコンピュータ、ビデオカ
メラやデジタルカメラ等の各種情報機器、携帯機器の表
示部に用いられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】また、最近では、ノート型パソコンよりも
携帯性に優れ、安価なポケットサイズの小型携帯用情報
処理端末装置(モバイルコンピュータ)が人気を博して
おり、その表示部にはアクティブマトリクス型液晶パネ
ルが用いられている。このような情報処理端末装置は表
示部からタッチペン方式でデータを入力可能となってい
るが、紙面上の文字・図画情報や、映像情報を入力する
には、スキャナーやデジタルカメラ等の画像を読み込む
ための周辺機器と接続することが必要である。そのた
め、情報処理端末装置の携帯性が損なわれている。ま
た、使用者に周辺機器を購入するための経済的な負担を
かけている。
【0007】また、アクティブマトリクス型液晶表示装
置は、TV会議システム、TV電話、インターネット用
端末等の表示部にも用いられている。これらシステムや
端末では、対話者や使用者の映像を撮影するカメラ(C
CDカメラ)を備えているが、表示部と読み取り部(セ
ンサ部)は個別に製造され、モジュール化されているた
め、製造コストが高いものとなっていた。
【0008】そこで本発明の目的は、上述の問題を鑑み
てなされたものであり、画素マトリクス、イメージセン
サ、およびそれらを駆動するための周辺回路を有する、
すなわち、撮像機能と表示機能とを兼ね備え、インテリ
ジェント化された新規な半導体装置を提供することにあ
る。
【0009】更に本発明の目的は、イメージセンサの構
造・製造プロセスを、画素マトリクスおよび周辺駆動回
路の構造・製造プロセスと整合性を持たせることによ
り、インテリジェント化された新規な半導体装置を安価
に作製することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
【0011】上記課題を解決するために、本発明は、画
像を表示するための表示用半導体装置と、画像を取り込
む為の受光用半導体装置とを同一基板上に設ける構成と
した。本発明の構成は、以下に記す通りである。
【0012】本発明のある実施形態によると、マトリク
ス状に配置された複数の画素部と、マトリクス状に配置
された複数のセンサ部と、を有するアクティブマトリク
ス基板と、バックライトと、を有する半導体装置であっ
て、前記センサ部は、光電変換素子を有しており、外部
の画像を読み取る際の光源には、前記バックライトを用
いることが可能である半導体装置が提供される。このこ
とによって上記目的が達成される。
【0013】また、本発明のある実施形態によると、マ
トリクス状に配置された複数の画素部と、マトリクス状
に配置された複数のセンサ部と、を有するアクティブマ
トリクス基板と、バックライトと、を有する半導体装置
であって、前記画素部は、画素反射電極を有しており、
かつ前記画素反射電極は、光りを通すための複数の窓が
設けられており、前記センサ部は、光電変換素子を有し
ており、外部の画像を読み取る際の光源には、前記バッ
クライトを用いることが可能である半導体装置が提供さ
れる。このことによって上記目的が達成される。
【0014】
【発明の実施の形態】
【0015】以下に本発明の半導体装置装置の代表的な
実施形態を示す。なお、本発明の半導体装置は、以下に
示す実施形態に限定されるわけではない。
【0016】図1を参照する。図1には、本発明の半導
体装置の回路構成の一例を示す。説明の便宜上、図1に
おいては、2×2(縦×横)画素の半導体装置の回路構
成が示されている。また、周辺駆動回路は、簡単にブロ
ックで示した。
【0017】101は画素TFT、102は液晶、10
3は補助容量、104はセンサTFT、105はフォト
ダイオードPD、106は補助容量、107は信号増幅
用TFT、108はリセットTFT、109および11
0はアナログスイッチである。これら101〜108に
よって構成される回路をマトリクス回路と呼ぶことにす
る。また、101および103を画素部A、104、1
05、106、107および108をセンサ部Bとす
る。111はセンサ出力信号線であり、112は画像入
力信号線である。113および114は固定電位線であ
る。また、115は画素ソース信号線側駆動回路、11
6は画素ゲイト信号線側駆動回路、117はセンサ水平
駆動回路、118はセンサ垂直駆動回路である。
【0018】本発明の半導体装置は、画像を表示する場
合には、画像入力信号線から入力される画像信号(階調
電圧)を、画素ソース信号線側駆動回路115および画
素ゲイト信号線側駆動回路116によって画素TFTに
供給し、画素TFTに接続された画素電極と対向電極と
に挟まれた液晶を駆動し、画像を表示することができ
る。図1においては、画素ソース信号線側駆動回路11
5および画素ゲイト信号線側駆動回路116は、アナロ
グ画像信号を扱うアナログ駆動回路が示されているが、
これに限定されるわけではない。つまり、デジタル映像
信号を取り扱うD/A変換回路を搭載したデジタル駆動
回路を用いても良い。
【0019】また、本発明の半導体装置は、入射する外
部の映像(光信号)をフォトダイオードPD105で読
み取り、電気信号に変換し、センサ水平駆動回路117
およびセンサ垂直駆動回路118によって映像が取り込
まれる。この映像信号は、センサ出力信号線111より
他の周辺回路(メモリ、CPUなど)に取り込まれる。
【0020】図2および図3には、本発明の半導体装置
を構成部品に分解した様子を示している。図2および図
3においては、各構成部品間の間隔は、説明の便宜上、
大きく示されている。また、図2および図3において
は、本発明の半導体装置をTN(ツイストネマチック)
モードのノーマリホワイト(電圧が印加されていない
時、白表示)として用いている。また、STNモードや
ECBモード等他のモードの液晶表示方法を用いること
もできる、また、ノーマリブラック(電圧が印加されて
いない時、黒表示)で用いるようにしても良い。
【0021】図2を参照する。図2には、本発明の半導
体装置を画像表示モードで用いた場合の様子が示されて
いる。201はアクティブマトリクス基板であり、図1
で説明したマトリクス回路201−1、画素ソース信号
線側駆動回路201−2、画素ゲイト信号線側駆動回路
201−3、センサ水平駆動回路210−4、センサ垂
直駆動回路210−5、および他の周辺回路201−5
を有している。なお、アクティブマトリクス基板の上面
には、配向膜などが形成されているが、ここでは図示し
ない。202は液晶である。203は対向基板であり、
透明電極および配向膜(共に図示せず)を有している。
204および205は偏光板であり、お互いクロスニコ
ルとなるように配置されている。206はバックライト
である。また、207は使用者(の目)を模式的に示し
たものであり、使用者が本発明の半導体装置を上部から
観察している様子を示したものである。なお、偏光板に
傷やほこりが付くのを防ぐために、上側偏光板207の
上部には、ガラス基板やプラスチック基板などが設けら
れる(図示せず)。
【0022】本発明の半導体装置が画像表示モードで用
いられている場合、供給される映像信号(内蔵のメモリ
などに記憶されている信号でもよいし、外部かろ供給さ
れる信号でもよい)に基づいて画素TFTに階調電圧を
供給し、液晶202を駆動する。なお、カラーフィルタ
を用いてカラー表示を行うこともできる。
【0023】次に、図3を参照する。図3には、本発明
の半導体装置を画像読み取りモードで用いた場合の様子
が示されている。半導体装置を構成する構成部品につい
ては、図2の説明を参照されたい。なお、301は画像
読み取り対象物であり、例えば名刺や写真のようなもの
である。また、図3においては、画像読み取り対象物3
01は偏光板(あるいは図示されていないがガラス基板
やプラスチック基板)と間隔をおいて示されているが、
密着させるように配置するのが好ましい。
【0024】本発明の半導体装置が画像読み取りモード
で用いられている場合、画素TFTには電圧は印加され
ず、全ての画素による表示が白表示となるようにする。
こうすることによって、画像読み取り対象物301の表
面に光を照射する。画像読み取り対象物301の表面に
照射された光は、画像読み取り対象物301の表面で反
射する。この時、この反射光は、画像読み取り対象物3
01の画像情報を有している。この反射光が、ガラス基
板(図示せず)、偏光板、対向基板、液晶を通過し、ア
クティブマトリクス基板のアクティブマトリクス回路の
センサ部BにあるフォトダイオードPDによって検知さ
れ、電気信号に変換される。電気信号に変換された画像
情報は、前述のようにセンサ出力信号線から取り出さ
れ、メモリ(同一基板上に形成されていても良いし、外
部に配置されていても良い)に記憶される。このように
して、画像読み取り対象物301の画像が取り込まれ
る。
【0025】また、名刺や写真を本発明の半導体装置に
密着させた場合について説明したが、景色や人物像など
をデジタルカメラ感覚で撮像し、その画像を取り込むこ
ともできる。
【0026】なお、センサ部Bによって電気信号に変換
された画像を、画素部Aによって表示することによっ
て、ほぼリアルタイムで表示することもできる。また、
画素部Aにおいては、半導体装置外部からのデータを表
示することが可能な構成としてもよい。
【0027】次に、本発明の半導体装置のアクティブマ
トリクス基板の断面構造について説明する。図4を参照
する。本発明の半導体装置のアクティブマトリクス基板
は、図2に示すように、1画素内に画素部Aとセンサ部
Bとを有している。図4においては、画素TFTとセン
サTFTとが示されている。基板400上には、遮光膜
404が設けられており、裏面から入射する光から画素
TFTを保護する構造としている。また、図のように、
センサ部B側のセンサTFTに遮光膜105を設ける構
成としてもよい。また、センサ部BのリセットTFTあ
るいは信号増幅用TFT(共に図示せず)にも遮光膜
(図示せず)を設ける構成にしてもよい。また、これら
の遮光膜は、基板400の裏面に直接設ける構成として
もよい。
【0028】この遮光膜404、405上に下地膜40
1を形成した後、表示部Aの画素TFT、センサ部Bの
センサTFT、信号増幅用TFTならびにリセットTF
T、および駆動回路や周辺回路を構成するTFTを同時
に作製する。なお、ここでは、基板400の裏面とは、
TFTが形成されていない基板面のことを指している。
また、これらTFTの構成は、トップゲート型TFTで
あってもボトムゲート型TFTであっても構わない。図
4においては、トップゲート型TFTの場合を例にとっ
て示している。
【0029】そして、センサTFTの電極419と接続
する下部電極420を設ける。この下部電極420は、
フォトダイオード(光電変換素子)の下部電極をなし、
画素TFTの上部以外の画素領域に形成する。この下部
電極420に光電変換層421を設け、さらにその上に
上部電極422を設けることで、フォトダイオードを完
成させる。なお、上部電極422には、透明電極を用い
る。
【0030】一方、画素部の画素TFTは、電極416
と接続する画素透明電極421を設ける。この画素透明
電極はセンサ部Bおよび配線を覆う構成としてもよい。
また、配線を覆う構成とした場合には、配線と画素透明
電極との間に存在する絶縁膜を誘電体として、容量が形
成される。
【0031】本発明の半導体装置の製造プロセスは、フ
ォトダイオードの作製工程が追加されたこと以外、従来
の表示装置の作製工程と概略同じである。よって、従来
の製造プロセスを用いることができるので、容易に、且
つ、安価に作製することができる。また、本発明により
作製したh半導体装置は、センサ機能を搭載しても、従
来のパネルと形状及び大きさは変化しない。そのため、
小型化、軽量化することができる。
【0032】
【実施例】
【0033】以下に、本発明の半導体装置のある実施形
態を説明するが、本発明が以下の実施例に限定されるわ
けではない。
【0034】(実施例1)
【0035】本実施例においては、本発明の半導体装置
の作製方法の一実施形態について、図5および図6を用
いて説明する。なお、以下の説明では、画素TFTとセ
ンサTFTとを代表的に取り挙げるが、リセットTF
T、信号増幅用TFT、アナログスイッチ、駆動回路、
および周辺回路を構成するPチャネル型TFTおよびN
チャネル型TFTも同時に作製され得る。
【0036】図5を参照する。まず、透明基板400全
面に下地膜401を形成する。透明基板400として
は、透明性を有するガラス基板や石英基板を用いること
ができる。下地膜401として、プラズマCVD法によ
って、酸化珪素膜を150nmの厚さに形成した。本実
施例では、この下地膜形成工程前に、画素TFTを裏面
からの光から保護するための遮光膜404、センサTF
Tを裏面からの光から保護するための遮光膜405を設
けた。
【0037】次に、プラズマCVD法によって非晶質珪
素膜を30〜100nm好ましくは30nmの厚さに成
膜し、エキシマレーザ光を照射して、多結晶珪素膜を形
成した。なお、非晶質珪素膜の結晶化方法として、SP
Cと呼ばれる熱結晶化法、赤外線を照射するRTA法、
熱結晶化とレーザアニールとの用いる方法等を用いても
よい。
【0038】次に、多結晶珪素膜をパターニングして、
画素TFTのソース領域、ドレイン領域、チャネル形成
領域を構成する島状の半導体層402、およびセンサT
FTのソース領域、ドレイン領域、チャネル形成領域を
構成する島状の半導体層403を形成する。そして、こ
れら半導体層を覆うゲイト絶縁膜406を形成する。ゲ
イト絶縁膜406はシラン(SiH4 )とN2 Oを原料
ガスに用いて、プラズマCVD法で100nmの厚さに
形成する(図5(A))。
【0039】次に、導電膜を形成する。ここでは、導電
膜材料として、アルミニウムを用いたが、チタン、また
は、シリコンを主成分とする膜、もしくは、それらの積
層膜であってもよい。本実施例では、スパッタ法でアル
ミニウム膜を200〜500nmの厚さ、代表的には3
00nmに形成する。ヒロックやウィスカーの発生を抑
制するために、アルミニウム膜にはスカンジウム(S
c)やチタン(Ti)やイットリウム(Y)を0.04
〜1.0重量%含有させる。
【0040】次に、レジストマスクを形成し、前記アル
ミニウム膜をパターニングして、電極パターンを形成
し、画素TFTゲイト電極407、センサTFTゲイト
電極408を形成する。
【0041】次に、公知の方法によりオフセット構造を
形成する。更に、公知の方法により、LDD構造を形成
してもよい。このようにして不純物領域(ソース・ドレ
イン領域)409、410、412、413、およびチ
ャネル領域411、414が形成される(図5
(B))。なお、図5においては、説明の便宜上、Nチ
ャネル型TFTであるセンサTFTと画素TFTとだけ
が示されているが、Pチャネル型TFTも作製される。
不純物元素としてはNチャネル型ならばP(リン)また
はAs(砒素)、P型ならばB(ボロン)またはGa
(ガリウム)を用いれば良い。
【0042】そして、第1の層間絶縁膜415を形成
し、不純物領域409、410、412、413に達す
るコンタクトホールを形成する。しかる後、金属膜を形
成し、パターニングして、電極416〜419を形成す
る。このとき、複数のTFTを接続する配線が同時に形
成される。
【0043】本実施例では、第1の層間絶縁膜415を
厚さ500nmの窒化珪素膜で形成する。第1の層間絶
縁膜として、窒化珪素膜の他に、酸化珪素膜、窒化珪素
膜を用いることができる。また、これらの絶縁膜の多層
膜としても良い。
【0044】また、電極および配線の出発膜となる金属
膜として、本実施例では、スパッタ法で、チタン膜、ア
ルミニウム膜、チタン膜でなる積層膜を形成する。これ
らの膜厚はそれぞれ100nm、300nm、100n
mとする。
【0045】以上のプロセスを経て、画素TFTとセン
サTFTが同時に完成する(図5(C))。
【0046】次に、第1の層間絶縁膜415とセンサT
FTのドレイン電極419に接して金属膜を形成する。
金属膜を成膜し、パターニングして、光電変換素子の下
部電極420を形成する。本実施例では、この金属膜に
スパッタ法によるアルミニウムを用いたが、その他の金
属を用いることができる。例えば、チタン膜、アルミニ
ウム膜、チタン膜でなる積層膜を用いてもよい。
【0047】図6を参照する。次に、光電変換層として
機能する、水素を含有する非晶質珪素膜(以下、a−S
i:H膜と表記する)を基板全面に成膜し、パターニン
グをし、光電変換層421を作製する(図6(A))。
【0048】次に、基板全面に透明導電膜を形成する。
本実施例では透明導電膜として厚さ200nmのITO
をスパッタ法で成膜する。透明導電膜をパターニング
し、上部電極421を形成する(図6(A))。
【0049】そして、第2の層間絶縁膜423を形成す
る。第2の層間絶縁膜を構成する絶縁被膜として、ポリ
イミド、ポリアミド、ポリイミドアミド、アクリル等の
樹脂膜を形成すると平坦な表面を得ることができるた
め、好ましい。あるいは積層構造とし、第2の層間絶縁
膜の上層は上記の樹脂膜、下層は酸化珪素、窒化珪素、
酸化窒化珪素等の無機絶縁材料の単層、多層膜を成膜し
てもよい。本実施例では、絶縁被膜として厚さ0.7μ
mのポリイミド膜を基板全面に形成した(図6
(B))。
【0050】更に、第2の層間絶縁膜423にドレイン
電極416に達するコンタクトホールを形成する。再
度、基板全面に透明導電膜を成膜し、パターニングし
て、画素TFTに接続された画素透明電極424を形成
する。
【0051】以上の工程を経て、図6(C)、または図
4に示すような素子基板が完成する。
【0052】そして、この素子基板と、対向基板とをシ
ール材とで貼り合わせ、液晶を封入して半導体装置が完
成する。この対向基板は、透過性基板上に透明導電膜、
配向膜を形成して構成される。これ以外にも必要に応じ
てブラックマスクやカラーフィルタを設けることができ
る。
【0053】(実施例2)
【0054】本実施では、実施例1において、画素電極
を金属膜からなる反射電極とし、反射型の表示部を有す
る半導体装置を作製した。
【0055】本実施例の半導体装置のアクティブマトリ
クス基板の断面図を図7に示す。図7には、図4と同
様、画素部Aとセンサ部Bの断面が示されている。70
0は基板、701は下地膜、704は画素TFTの保護
遮光膜、705はセンサTFTの保護遮光膜、706は
ゲイト絶縁膜、707および708はゲイト電極、70
9、710、712、713は不純物領域(ソース・ド
レイン領域)、711および714はチャネル領域、7
15は第1層間絶縁膜、716〜719は電極(ソース
・ドレイン電極)、720、721、722はそれぞれ
フォトダイオードの下部電極、光電変換層、上部透明電
極、723は第2層間絶縁膜、724は画素TFTの反
射電極である。725および726は、反射電極に設け
られた窓(孔)である。この窓を通して、アクティブマ
トリクス基板下部からのバックライトの光が半導体装置
の上部に通り抜けることになる。また、窓726を通し
て、読み取り対象物からの反射光が入射し、フォトダイ
オードに入射する。なお、この窓725および726に
は、透明導電性材料や透明樹脂膜が形成されてもよい。
【0056】よって、本実施例の半導体装置の場合、液
晶をECBモードで駆動させ、ノーマリブラックとす
る。本実施例の場合においても、画像読み取りモードの
場合は、表示が白表示となるようにする。また、液晶を
他の駆動モードで駆動した場合も、同様に、画像読み取
りモードの場合は、表示が白表示となるようにする。
【0057】本実施例の半導体装置の製造方法について
は、実施例1を参照することができる。
【0058】
【発明の効果】
【0059】本発明の半導体装置の製造プロセスは、光
電変換素子の作製工程の追加以外、従来の表示装置と同
じである。よって、従来の製造プロセスを用いることが
できるので、容易に、且つ、安価に作製することができ
る。また、本発明により作製した半導体装置は、センサ
機能を搭載しても、従来のパネルと基板形状及び大きさ
は変化しない。そのため、小型化、軽量化することがで
きる。
【0060】また、センサセルの受光面積は、表示セル
の画素面積の概略同程度であり、単結晶CCDと比較し
て大きいため、本発明のセンサは高感度とすることがで
きる。さらに、本発明の半導体装置のイメージセンサで
消費される電力もCCD構造に比較すれば小さいものと
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の半導体装置のある実施形態の回路図
である。
【図2】 本発明の半導体装置の分解図である。
【図3】 本発明の半導体装置の分解図である。
【図4】 本発明の半導体装置のある実施形態のアクテ
ィブマトリクス基板の断面図である。
【図5】 本発明の半導体装置の一作製方法を示す図で
ある。
【図6】 本発明の半導体装置の一作製方法を示す図で
ある。
【図7】 本発明の半導体装置のある実施形態のアクテ
ィブマトリクス基板の断面図である。
【符号の説明】
101 画素TFT 102 液晶 103 補助容量 104 センサTFT 105 フォトダイオード 106 補助容量 107 信号増幅用TFT 108 リセットTFT 109 アナログスイッチ 110 アナログスイッチ 111 センサ出力信号線 112 画像入力信号線 113、114 固定電位線 115 画素ソース信号線側駆動回路 116 画素ゲイト信号線側駆動回路 117 センサ水平駆動回路 118 センサ垂直駆動回路

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】マトリクス状に配置された複数の画素部
    と、マトリクス状に配置された複数のセンサ部と、を有
    するアクティブマトリクス基板と、 バックライトと、を有する半導体装置であって、 前記センサ部は、光電変換素子を有しており、 外部の画像を読み取る際の光源には、前記バックライト
    を用いることが可能である半導体装置。
  2. 【請求項2】マトリクス状に配置された複数の画素部
    と、マトリクス状に配置された複数のセンサ部と、を有
    するアクティブマトリクス基板と、 バックライトと、を有する半導体装置であって、 前記画素部は、画素反射電極を有しており、かつ前記画
    素反射電極は、光りを通すための複数の窓が設けられて
    おり、 前記センサ部は、光電変換素子を有しており、 外部の画像を読み取る際の光源には、前記バックライト
    を用いることが可能である半導体装置。
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